煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注-喷浆协同控制技术.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 1 煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注一喷浆 协同控制技术 康红普1 ’2 ⋯，姜鹏飞1 ’2 ⋯，杨建威1 ’2 ⋯，王志根4 ，杨景贺1 ’2 ⋯，刘庆波4 ，吴拥政1 ’2 ⋯， 李文洲1 ’2 ⋯，高富强1 ’2 ”，姜志云4 ，李建忠1 ’2 ’3 1 ．中煤科工开采研究院有限公司，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤炭科学研究总院开采研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重 点实验室，北京1 0 0 0 1 3 ；4 ．中煤新集能源股份有限公司，安徽淮南2 3 2 1 7 0 摘要针对煤矿千米深井巷道松软煤体大变形难题，以中煤新集口孜东矿大采高工作面运输巷为 工程背景，分析巷道松软煤帮变形破坏特征及支护结构破坏、失效形式；采用井下试验和数值模拟 相结合的方法，从锚杆锚索锚固力衰减、风化作用下煤体劣化及强流变性等方面，揭示出千米深井 巷道松软煤帮大变形机理。提出千米深井巷道松软煤帮高压锚注一喷浆协同控制理念；采用数值 模拟对比研究了锚杆锚索支护、锚注、锚注一喷浆3 种方案巷道煤帮变形、裂隙及应力演化规律，阐 明了巷道煤帮高预应力、高压锚注一喷浆协同控制原理。研发出高强度、高压、组合式注浆锚杆与 高压注浆锚索，研究了注浆锚杆、锚索及注浆材料性能与锚注效果，形成了高预应力锚杆、锚索支护 一高压劈裂注浆改性一表面喷浆协同控制技术。将研究成果应用于中煤新集口孜东矿，提出试验巷 道锚注一喷浆协同控制方案及参数，并进行了矿压监测。监测数据表明，采用提出的高压锚注一喷 浆控制方案后，煤帮结构、完整性与强度得到显著改善，锚杆、锚索锚固力大幅提升，充分发挥了高 强度锚杆、锚索主动支护作用。巷道两帮收缩量降低8 6 ％，锚杆、锚索破断率大幅减少，有效控制 了千米深井巷道松软煤帮大变形，为此类深部巷道大变形控制提供了有效途径。 关键词煤矿巷道；千米深井；松软煤体；锚注；高压注浆；喷浆；协同控制 中图分类号T D 3 5 3 文献标志码A 文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 0 7 4 7 - 1 6 R o a d w a ys o f tc o a lc o n t r o lt e c h n o l o g yb ym e a n so fg r o u t i n gb o l t sw i t hh i g h p r e s s u r e s h o t c r e t i n gi ns y n e r g yi nm o r et h a n10 0 0md e e pc o a lm i n e s K A N GH o n g p u l ，2 ”，J I A N GP e n g f e i l ，2 ”，Y A N GJ i a n w e i l 2 ⋯，W A N GZ h i g e n 4 ，Y A N GJ i n g h e l ’2 ”，L I UQ i n g b 0 4 ， W U Y o n g z h e n 9 1 ’2 ”，L IW e n z h o u l ，2 ⋯，G A OF u q i a n 9 1 ，2 ⋯，J I A N GZ h i y u n 4 ，L IJ i a n z h o n 9 1 2 ’3 1 。C C T E GC o a lM i n i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i y i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ．C o a lM i n i n gB r a n c h ，C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；3 ．S t a t e K e yL a b o r a t o r yo fC o a lM i n i n ga n dC l e a nU t i l i z a t i o n ，B e i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；4 ．X i n j iE n e r g yC o ．，L t d ．，C h i n aN a t i o n a lC o a lG r o u pC o r p ．，H n a i n a n 2 3 2 1 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t C o a lm i n er o a d w a y si nm o r et h a n10 0 0md e e pw i t hs o f tc o a ls u f f e rs e v e r es q u e e z i n ga n dl a r g ed e f o r m a t i o n ． B a s e do nt h eg e o t e c h n i c a la n de n g i n e e r i n gc o n d i t i o n so fam a i n g a t eo fal o n g w a l lp a n e lw i t hh i g hm i n i n gh e i g h ti nt h e K o u z i d o n gC o a lM i n eo fX i n j iE n e r g yC o ．，L t d ．，C h i n aN a t i o n a lC o a lG r o u pC o r p ．，ac a s es t u d yw a sp e r f o r m e dt o i n 一 收稿日期2 0 2 1 - 0 1 - 2 1 修回日期2 0 2 1 0 2 2 6责任编辑郭晓炜D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．Y T 2 1 ．0 1 5 5 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 0 作者简介康红普 1 9 6 5 一 ，男，山西五台人，中国工程院院士。E m a i l k a n g h p 1 6 3 ．c o i n 引用格式康红普，姜鹏飞，杨建威，等．煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注一喷浆协同控制技术[ J ] ．煤炭学报， 2 0 2 1 ，4 6 3 7 4 7 7 6 2 ． K A N GH o n g p u ，J I A N GP e n g f e i ，Y A N GJ i a n w e i ，e ta 1 ．R o a d w a ys o f tc o a lc o n t r o lt e c h n o l o g yb ym e a n so fg r o u t i n g b o l t sw i t hh i s hp r e s s u r e s h o t e r e t i n gi ns y n e r g yi nm o l et h a n10 0 0md e e pc o a lm i n e s [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y 。2 0 2 1 ，4 6 3 7 4 7 7 6 2 ． 移动阅读 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 v e s t i g a t et h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fam a i n g a t ea n dt h ef a i l u r ef o r mo ft h eg r o u n ds u p p o r t ．F i e l dt e s t s a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u tt or e v e a lt h el a r g ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h em a i n g a t ei nm o r et h a n 10 0 0m d e e pw i t hs o f tc o a l ，f r o mt h ea s p e c t so fa t t e n u a t i o no fa n c h o r i n gf o r c eo fb o l t sa n dc a b l e s ，c o a ld e t e r i o r a t i o n u n d e rw e a t h e r i n g ，s t r o n gr h e o l o g y ，e t c ．T h ec o n c e p to fs o f tc o a ls i d ec o n t r o lw i t hh i g hp r e s s u r eg r o u t i n gb o l t i n ga n d s h o t c r e t i n gi ns y n e r g yw a sp r o p o s e df o rt h em a i n g a t ei nm o r et h a n10 0 0md e e p ．N u m e r i c a la n a l y s i sw a sc o n d u c t e dt o e v a l u a t et h r e et y p e so fs u p p o r tp a t t e m si n c l u d i n gb o l t sa n dc a b l e s ，g r o u t i n gb o l t sa n dc a b l e s ，a n dg r o u t i n gb o l t i n g s h o t c r e t i n go nr o a d w a ys i d ed e f o r m a t i o n ，a n dt h ee v o l u t i o no ff r a c t u r ea n ds t r e s sf i e l d s ．T h ec o a ls i d ec o n t r o lp r i n c i p l eb y m e a n so fg r o u t i n gb o l t i n gw i t hh i g hp r e t e n s i o na n dp r e s s u r ea n ds h o t c r e t i n gi ns y n e r g yw a se x p o u n d e d ．Ac o m b i n e d g r o u t i n gb o l tw i t hh i g hs t r e n g t ha n dp r e s s u r e ，a n dag r o u t i n gc a b l ew i t hh i g hp r e s s u r es e a l e rw e r ed e v e l o p e d ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e sa n dr e i n f o r c e m e n te f f e c t so fg r o u t i n gb o l t s ，c a b l e sa n dg r o u t i n gm a t e r i a l sw e r es t u d i e d ，a n dt h e s o f tc o a lc o n t r o lt e c h n o l o g yb ym e a n so fh i g hp r e t e n s i o nb o l t sa n dc a b l e s - m o d i f i c a t i o nw i t hh i g hp r e s s u r es p l i t t i n gg r o u r i n g s h o t c r e t i n go ns u r f a c ei ns y n e r g yw a sf o r m e d ．T h et e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v eh a sb e e na p p l i e di nt h eK o u z i d o n g C o a lM i n e ，t h ed e s i g np a t t e r na n dp a r a m e t e r so fg r o u t i n gb o l t i n g s h o t c r e t i n gf o rt h ee x p e r i m e n t a lm a i n g a t ew e r ep u t f o r w a r d ，a n du n d e r g r o u n dm o n i t o r i n gw a sc a r r i e do u t ．F i e l dm o n i t o r i n gd a t as h o w e dt h a tt h i sc o a lc o n t r o lt e c h n o l o g y s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h es t r u c t u r e ，i n t e g r i t ya n ds t r e n g t ho ft h ec o a ls i d e s ．T h ea n c h o r i n gf o r c eo ft h er o c kb o l t sa n d c a b l e si n c r e a s e dr e m a r k a b l y ，g i v i n gf u l lp l a yt ot h ea c t i v es u p p o r t i n gr o l eo ft h eh i g hs t r e n g t hr o c kb o l t sa n dc a b l e s ． T h es i d e - t o s i d ec o n v e r g e n c ew a sr e d u c e db y8 6 ％c o m p a r i n gw i t ht h ei n i t i a ls u p p o r tp a t t e r n ．P r e m a t u r ef a i l u r eo fr o c k b o l t sa n dc a b l e sw a sg r e a t l yr e d u c e d ．T h ep r o p o s e ds o f tc o a lc o n t r o lt e c h n o l o g yp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea l t e r n a t i v ef o rt h e d e e pr o a d w a y sw i t hl a r g ed e f o r m a t i o n ． K e yw o r d s c o a lm i n er o a d w a y ；10 0 0md e e pc o a lm i n e s ；s o f tc o a l ；g r o u t i n gb o l t ；g r o u t i n gw i t hh i g hp r e s s u r e ；s h o t c r e t i n g ；s t r a t ac o n t r o li ns y n e r g y 随着煤矿开采深度不断增加，我国千米深井越来 越多，巷道围岩控制的难度也显著加大。对我国东部 地区千米深井巷道围岩变形、破坏的调查与分析表 明，由于巷道围岩地应力高、采动影响强烈，围岩破坏 范围大、变形强烈J 。淮南等深井软岩矿区，围岩流 变性强，变形量大且持续时间长，巷道需要多次返修 才能勉强满足生产要求；而对于一些围岩强度较大的 矿井，则容易出现冲击地压动力灾害，对矿井安全生 产带来严重威胁。 经过多年的研究与攻关，我国煤矿形成了以锚 杆、锚索为主体支护，棚式支架、喷射混凝土、注浆加 固及卸压法等并举的巷道支护格局。对于千米深井 巷道，采用单一的支护方式往往很难有效控制围岩大 变形，联合控制法是一条有效途径。为此，2 0 1 7 年中 华人民共和国科学技术部设立国家重点研发计划项 目“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”，开展 了巷道围岩支护一改性一卸压协同控制理论与技术研 究。通过该项目开发出7 0 0M P a 级超高强度、高延 伸率、高冲击韧性锚杆，高压劈裂注浆改性及水力压 裂卸压技术，形成了千米深井巷道主动支护、主动改 性、主动卸压“三主动”、“三位一体”协同控制技术， 并在中煤新集口孜东矿1 2 1 3 0 2 孤岛工作面运输巷进 行了成功应用，取得较好效果旧。4o 。同时，在井下试 验过程中发现，仅仅采用锚杆、锚索支护的松软煤帮 变形依然比较大，包括煤体的扩容变形与煤帮的整体 挤出，需要提出更有效的松软煤体控制方法与技术。 锚注将锚固与注浆技术有机结合，是适合破碎围 岩加固的有效方法。国内外已开发和应用了多种形 式的注浆锚杆∞。9J ，包括中空注浆锚杆、钻锚注一体 化锚杆。锚杆杆体为空心钢管，兼做注浆管。注浆材 料可采用水泥基浆材或化学浆材。注浆不仅可改善 锚固体及深部围岩力学性能，提高围岩的完整性，同 时注浆可通过改善锚固体力学性能提高锚杆的锚固 效果，充分发挥锚固与注浆二重作用。除注浆锚杆 外，还开发出不同形式的注浆锚索，包括锚索索体为 实心钢绞线，配用注浆管、排气管的传统注浆锚 索0 | ，及索体为中空钢绞线，注浆管在索体内的中空 注浆锚索1 | 。与注浆锚杆相比，注浆锚索锚固深度 更大、承载力更高、注浆加固区域更大，适用范围更 大。但是在实际应用中，锚注技术还存在以下问题 1 有些注浆锚杆和锚索在施工过程中不能施 加预应力，只能等浆液固化后在孑L 口通过拧紧螺母或 张拉方式施加一定拉力，预应力作用不明显，影响锚 杆、锚索支护效果。 2 大部分注浆锚杆、锚索的封孑L 装置比较简 单，最常用的是封孔胶塞，封孔压力低，在很小的注浆 万方数据 第3 期康红普等煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注一喷浆协同控制技术 7 4 9 压力下就会出现跑浆、漏浆现象，显著影响了浆液扩 散范围及注浆效果。 3 在巷道浅部围岩比较破碎的情况下，浆液很 容易从围岩裂隙、裂缝中流出，注浆压力和围岩中的 注浆量无法保证。不仅浪费注浆材料，而且注浆效果 不佳。 针对上述问题，结合千米深井巷道松软煤体强度 低、破坏范围大、渗透性差、易风化、锚固力低等特点， 在“煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术”项目已 有成果的基础上，又开发出高预应力、高压劈裂注浆 锚杆与锚索，并配合喷射混凝土协同围岩控制技术。 本文介绍示范巷道地质与生产条件，千米深井巷道松 软煤体大变形机理，松软煤体高预应力、高压锚注及 喷射混凝土协同控制原理，高强度、高压劈裂注浆锚 杆、锚索结构与力学性能，及示范巷道井下试验及围 岩控制效果。 1 巷道地质与生产条件及支护状况 1 ．1 巷道地质与生产条件 示范巷道为中煤新集口孜东矿1 4 0 5 0 2 工作面运 输巷。1 4 0 5 0 2 工作面开采5 号煤层，平均厚度 6 ．5 61 T I 。煤层顶、底板岩性分布如图1 所示。顶板岩 层主要为泥岩，局部有砂岩和煤线，泥岩松散、软弱。 其中，直接顶的泥岩胶结性差，随掘随漏，掘进期间采 用托顶煤 间距2 0 0m m 的密集超前钢筋支护方法控 制顶煤和顶板。底板以泥岩和砂质泥岩为主，累计厚 度近1 0n ，。煤、顶底板泥岩中黏土矿物含量较高1 2 j ， 容易受风化影响，结构劣化、强度衰减严重。 顶、底板岩性岩层厚度／m累计厚度／m 5 ．0 52 5 ．3 3 f 2 ．2 4 l 项2 0 ．2 8 l 板 3 ．7 28 ．0 4 0 ．8 04 ．3 2 3 ．5 235 2 6 ．5 6 11 2 67 6 2 ．0 8 6 ．5 6 1 ．1 2 7 ．8 8 99 6 图15 号煤层顶底板岩层分布 F i g ．1 R o o fa n df l o o rr o c kl a y e r sa r o u n dc o a ls e a mN o ．5 工作面采用大采高一次采全厚采煤法，埋深 超10 0 0m ，巷道布置如图2 所示。煤层上方基岩 薄，松散层厚度近6 0 0m 。1 4 0 5 0 2 工作面为5 号煤层 采区首采工作面，运输巷两侧均为实体煤。 图21 5 1 孜东矿1 4 0 5 0 2 工作面及示范巷道平面布置 F i g ．2I ．a y o u to fw o r k i n gf a c e1 4 0 5 0 2a l l de x p e r i m e n t a lm a i n g a t e i nt i l eK o u z i d o n gC o a lM i n e 1 ．2 煤帮原控制方案与变形破坏特征 1 4 0 5 0 2 运输巷原设计断面为直墙平顶微拱形， 顶宽4m ，底宽6m ，高4 ．6I l l ，断面积2 7 ．6n 1 2 ，属大 断面巷道。巷道留顶、底煤掘进，顶煤0 ．3 ～1 ．2m ， 底煤1 ～2I l l 。巷道采用锚网索喷 滞后注浆联合控 制方案，支护布置如图3 所示。锚杆采用H R B 5 0 0 ， 6 2 2m i l l 左旋无纵筋螺纹钢，长25 0 0m i l l ，间排距 8 0 0m m X 8 0 0m l t l ，设计预紧扭矩2 6 0N m ，钢筋托梁 护表。锚索为1 1 9 结构、西2 1 ．8m m 的预应力钢绞 线，顶锚索长92 0 0m i l l ，组合构件为工字钢梁与M 型 钢带交错布置，3 根1 组，问距分别为15 0 0 ， 12 0 0m m ；帮锚索长62 0 0m m ，间距12 0 0m i l l ，采用 大、小平托板 M 型钢带护表。顶帮锚索排距均 为16 0 0I l l i l l ，设计张拉力1 6 0k N 。巷道表面喷射混 凝土，厚度7 0m m 。掘进工作面后方2 0 0n 1 以外，在 巷道肩窝处布置2 个深1 2 ～1 5m 钻孑L 注普通水泥浆 加固，排距6 ～1 0n ，。 j 梁锚索4 , 21 ．8 ，L 92 0 0锚索 218 上 92 0 0 图3原巷道锚杆与锚索支护布置 F i g ．31 ．a y o u to fr o c kb o h sa n dc a b l e sf o ro r i g i n a lm a i n g a t e 采用上述联合控制方案后，巷道在掘进期间仍然 出现煤帮整体移近和强烈底臌，两帮收缩1m 以上， 底臌0 ．61 1 1 以上。煤帮大变形及支护体失效情况如 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 图4 所示，肩窝煤体发生大范围破碎、鼓包，煤帮肩窝 锚杆与锚索破断、钢带撕裂等现象频发。 a 肩窝大范围鼓包 卜一 【9 一 b 煤帮整体移近 C M 型钢带撕裂 d 锚索破断 图4 原巷道煤帮大变形及支护结构失效情况 F i g ．4 S e v e r ed e f o r m a t i o no fc o a ls i d ea n df a i l u r eo f o r i g i n a lm a i n g a t es u p p o r ts t r u c t u r e 1 ．3 煤帮控制存在的问题 分析上述口孜东矿1 4 0 5 0 2 工作面运输巷煤帮大 变形及支护结构失效情况，发现煤帮控制主要存在以 下问题 1 对千米深井巷道松软煤体、低强度、低锚固 力、大断面条件下的煤帮大变形机理认识不深人。 2 对千米深井松软煤帮与锚杆支护、注浆相互 作用机制认识不足，依然采用传统的锚杆、锚索与滞 后注浆方式控制煤帮变形，没有提出适合千米深井巷 道松软煤体、大断面、强流变煤帮大变形的有效控制 方法。 3 巷道掘进方式影响。巷道托顶煤掘进，肩窝 位置顶煤与巷帮煤体强烈挤压，导致该位置的煤体产 生大范围破碎，锚杆、锚索及支护构件失效较多。 4 煤帮锚杆、锚索锚固力低。在巷道原支护段 煤帮，采用l ～3 支M S K 2 3 5 0 树脂锚固剂测试了锚 杆、锚索锚固力，测试结果见表1 。煤帮锚杆采用1 支锚固剂锚固力仅为7 4k N ，锚索采用2 支锚固剂锚 固力仅为1 6 5k N 。虽然后期进行了水泥注浆，但在 煤帮中，锚杆、锚索锚固力仍难以与其承载力相匹配， 锚杆、锚索还未屈服就被拔出，难以发挥高强度锚杆、 锚索的主动支护作用。 5 锚杆、锚索设计预紧力偏低。锚杆预紧扭矩 2 6 0N m ，锚索预紧力1 6 0k N ，2 者预紧力均未施加 至与锚杆杆体、锚索索体承载力匹配的预紧力，没有 认识到预应力对锚杆、锚索支护的重要性2 【。 6 锚杆、锚索支护构件不匹配’13 I 。钢筋托 梁、M 型钢带等组合构件与煤帮接触面积小；托板承 载力比锚杆杆体、锚索索体低；未安装调心球垫，不能 动态调整其受力状态；锚杆螺纹长度偏短。上述4 种 支护构件力学性能不匹配，极易导致锚杆与锚索破 断、预应力扩散效果差，严重影响锚杆、锚索支护效 果。 表11 4 0 5 0 2 运输巷煤帮锚杆与锚索锚固力测试结果 T a b l e1T e s tr e s u l t so fr o c kb o l ta n dc a b l ea n c h o r a g ef o r c e i nc o a ls i d eo fm a i n g a t e1 4 0 5 0 2 7 滞后注浆效果有限。原注浆方案采用普通 水泥单液浆，材料颗粒粒径大、注浆压力低、封孔效 果差，仅能注入浅部大尺度裂隙的煤体，孔口漏浆 严重，加固效果不理想。而且，滞后注浆对锚杆、锚 索锚固力的提高能力有限，难以实现锚固与注浆协 同作用。 2 千米深井巷道松软煤帮大变形机理 地应力、围岩强度及结构是影响巷道变形的根本 因素。。4 I ，为此，对示范巷道地应力、煤体强度与结构 进行了原位测试与分析。在此基础上采用数值模拟 研究了巷道煤帮在原方案下变形破坏规律，分析了煤 帮大变形机理。 2 ．1 巷道围岩地质力学参数 采用z J , S f L 径水压致裂法在5 煤顶板砂岩中进行 了地应力测试，最大水平主应力2 4 ．5 5M P a ，最小水 平主应力1 0 ．6 5M P a ，垂直应力2 4 ．9 4M P a 。可见，地 应力场中垂直应力占一定优势，且最大水平主应力与 垂直应力相差很小。 采用钻孔触探法原位实测了巷道顶板岩层与煤 体的强度，如图5 a 所示。可知，浅部煤层抗压强度 仅为1 2M P a 左右，与最大、最小水平主应力及垂直 应力的比值分别为0 ．4 9 ，1 ．1 3 ，0 ．4 8 ；浅部泥岩抗压 强度为2 0M P a 左右，与最大、最小水平主应力及垂 直应力的比值分别为0 ．8 l ，1 ．8 8 ，0 ．8 0 。可见，最小 主应力已接近煤层抗压强度，最大主应力超过浅部泥 岩抗压强度，强度与应力比值较低，导致巷道开挖后 在高偏应力作用下围岩很快发生变形、破坏。 采用钻孔窥视仪对煤帮结构进行了观察，结合图 万方数据 第3 期 康红普等煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注一喷浆西同控制技术 7 5 l 5 b 强度曲线可知，煤帮在1 ．6m 以浅整体较为破 碎，抗压强度低；1 ．6 ～4 ．5m 煤体相对完整，局部破 碎，抗压强度平均1 5M P a ；4 ．5 ～8 ．0m 煤体较为完 整，抗压强度平均2 0M P a 。可见，巷道煤帮浅部煤体 松软破碎。 图5巷道围岩强度变化曲线 F i g ．5S t r e n g t hv a r i a t i o nc u r v e so fm a i n g a t es u r r o u n d i n gr o c k 2 ．2 巷道煤帮大变形数值模拟 采用数值模拟软件U D E C 模拟示范巷道在原支 护及煤帮锚注一喷浆协同控制下巷道围岩变形破坏 特征。根据1 4 0 5 0 2 工作面运输巷地质与生产条件建 立数值计算模型，如图6 所示。模型宽度6 0m ，高度 6 0m 。基于井下实测地应力并考虑模型高度，在模型 顶部施加2 4 ．4M P a 的垂直应力，两侧施加水平应力， 研究巷道在掘进期间变形破坏规律。数值模拟中煤 岩体是通过块体 b l o c k 与接触 c o n t a c t 来表征，其 中块体为弹性体，接触可以产生张拉或滑移破坏。 图6U D E C 数值计算模型 F i g ．6 U D E Cn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l 煤岩体及喷射混凝土物理力学参数见表2 。煤 体及顶板围岩参数是基于现场钻孔实测获取，弹性模 量采用E 。 M 。；盯，1 5 。估算，其中，M 。为弹性模量比 率；以为岩石单轴抗压强度。数值模型中岩体参数 取值为岩石参数的0 ．5 8 o J 6 j ，抗拉强度为抗压强度的 1 ／1 2 。 表2 数值模型采用的煤岩体力学参数 T a b l e2C o a la n dr o c km e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nU D E Cm o d e l 锚杆、锚索采用U D E C 内置C a b l e 单元模拟，钢 护板采用B e a m 单元模拟，根据井下实际使用支护材 料性能参数，支护单元物理力学参数见表3 。锚杆预 紧扭矩2 6 0N m ，对应预紧力4 0k N ，锚索张拉力 1 6 0k N 。 巷道原支护方案下，顶板最大下沉量2 8 0m m ，最 大底臌量4 7 0m m ，巷帮最大移近量l1 8 0m m ，巷道 变形主要为煤帮强烈收缩，巷道顶底板强烈变形主要 在顶煤及底煤区域 图7 。巷帮浅部煤体发生张拉 破坏，大量裂纹相互贯通，裂纹扩展深度超过锚杆锚 固长度，形成大范围破碎区；深部煤体发生剪切破坏， 裂纹分布密集，裂纹扩展深度超过锚索锚固长度 图 8 ，9 。 巷帮煤体应力分布如图1 0 所示。巷道开挖后煤 万方数据 7 5 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 表3 数值模型采用的支护体力学参数 T a b l e3M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c kb o l t i n g c o m p o n e n t si nU D E Cm o d e l 图7 巷道围岩变形 F i g ．7 D e f o r m a t i o no fr o c ks u r r o u n d i n gm a i n g a t e ㈥8巷道| 二} ；I 措裂纹分布 F i g ．8 F r d t ‘t i l l l ed i s t r i l u t i o ni l lI ．o c k S l l l ’r o u n d i n gm a i n g a t e 图9 巷道围岩破坏情况 F i g ．9 D e s t r u c t i o no fr o c ks u r r o u n d i n gm a i n g a t e 帮1m 范围内水平应力趋近于0 ，垂直应力极小，浅 部破碎煤体几乎无承载能力；1 ～8m 内煤体应力持 续波动，其原因在于该范围内煤体内部发育有大量裂 纹 图8 ，导致围岩内部应力释放，应力状态持续恶 化，围岩承载能力降低；8 ～1 2n l 内煤体无明显裂纹 产生 图8 ，垂直应力趋于稳定，水平应力逐渐增加。 2 l 18 ≈1 5 山 ≤1 2 o 谨9 } *6 3 024681 01 2 距巷帮距离／m a 3 5 3 0 蛊2 5 弋2 0 描- s 蝴1 0 5 O24681 01 2 距巷帮距离／m b 图1 0 巷帮煤体应力分布 F i g ．10 S t r e s sd i s t r i b u t i o ni nc o a ls i d eo fm a i n g a t e 在千米深井高地应力作用下，巷帮煤体浅部产生 大量相互贯通的张拉裂纹，深部产生大量剪切裂纹， 浅部煤体极为破碎，可锚性差，井下巷道中表现为浅 部锚杆支护失效。巷帮深部煤体产生的大量裂纹显 著降低了煤体完整性与强度，煤体承载能力也大幅降 低，易发生整体大变形。 2 ．3 巷道煤帮大变形机理 基于上述测试与数值模拟研究，分析得出 1 4 0 5 0 2 工作面运输巷煤帮大变形的主要原因为 1 地应力高，巷帮煤体裂隙发育、强度低，强度 应力比值小。巷帮开挖后煤体原生裂隙迅速张开、新 裂纹大量产生，并逐渐向煤帮深部延伸，超出锚杆、锚 索锚固范围。可见，高地应力、低强度是煤帮大变形 的最根本原因。 2 锚固力低且不断衰减。巷帮煤体强度低、裂 隙发育，且锚杆、锚索孔内煤粉多，导致锚固力低。随 着煤体不断劣化，锚固剂与其周围煤体黏结力逐渐下 降，锚固力不断衰减，极易造成锚杆、锚索与锚固剂脱 黏后被整体拔出。 3 强烈的风化作用。巷帮煤体黏土矿物含量 高，长期暴露在空气中，而且井下气温高、湿度大，煤 O O O O O O O O O0∞他他M如拍铊犍舛∞ 万方数据 第3 期康红普等煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注一喷浆协同控制技术 7 5 3 体强度与结构劣化，甚至锚杆、锚索孔内的锚固剂逐 渐被剥蚀，导致锚固力下降。 4 巷道断面大。巷道宽度6 ．0m ，高度4 ．6m ， 断面积超过2 5m 2 。巷帮肩窝处应力集中现象更加 突出，高煤帮自稳性差，容易产生片帮和变形。 5 顶煤效应明显。煤层强度低，肩窝顶煤发生 变形、破碎、滑移，破坏了顶板一煤帮整体承载结构， 大幅削弱了巷帮肩窝煤体的边界约束，导致煤体被大 范围挤碎、鼓包。 6 煤体强流变性。在巷道掘进阶段，相对岩体 及硬煤，松软煤帮变形就表现出更明显的时间效应。 地应力越高，煤体强度越低，变形破坏速度越显 著【1 7 】，煤帮出现强时效的流变大变形。 3 煤帮高压锚注一喷浆协同控制原理 3 ．1 煤帮控制方式选定 基于以上分析，千米深井巷道煤帮大变形的主要 原因是高地应力、软煤、强风化、低锚固力，煤帮控制 方式的选取须着重考虑以上4 个方面。 改善软煤力学特性与提高锚固力的方法主要有 2 种先注浆后锚固、锚固注浆一体化【1 8 - 1 9 ] 。考虑到 示范巷道两帮为实体煤，先注浆效果有限，且影响掘 进施工。而锚固与高压注